Εισαγωγή στην Κρυπτογραφία Εγκαθίδρυση κλειδιού (γέννηση, διανομή & συμφωνία)

Παρουσίαση με θέμα: "Εισαγωγή στην Κρυπτογραφία Εγκαθίδρυση κλειδιού (γέννηση, διανομή & συμφωνία)"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Εισαγωγή στην Κρυπτογραφία Εγκαθίδρυση κλειδιού (γέννηση, διανομή & συμφωνία)

2 2 Γέννηση κλειδιών Ο χώρος από τον οποίο δημιουργούνται τα κλειδιά (Key space) πρέπει να είναι μεγάλος Η επιλογή από το χώρο των κλειδιών πρέπει να είναι τυχαία  Οι άνθρωποι συνήθως επιλέγουν όχι καλά κλειδιά  Κάποιοι αλγόριθμοι έχουν ασθενή κλειδιά που πρέπει να αποφεύγονται (για παράδειγμα, ο DES έχει 16 τέτοια κλειδιά ANSI X9.17 Key Generation Algorithm (pseudorandom bit generator)  Το κλειδί παράγεται από το προηγούμενο κλειδί, μέσω κάποιας διαδικασίας κρυπτογράφησης. R i =E K (E k (T i )  V i ) όπου:  E k (X) μία two-key triple-DES E-D-E κρυπτογράφηση του X, με κλειδί το k (που κρατείται αποκλειστικά για αυτόν τον αλγόριθμο)  V 0 είναι μία αρχική μυστική αλληλουχία bits (σπόρος, seed),  T είναι ένα timestamp  Το V i+1 παράγεται με τη συνάρτηση: V i+1 =E K (E K (T i )  R i )

3 3 Εγκαθίδρυση Κλειδιού Διανομή κλειδιού βασισμένη σε συμμετρική κρυπτογράφηση Συμφωνία κλειδιού βασισμένη σε συμμετρικές τεχνικές Διανομή κλειδιού βασισμένη σε κρυπτογράφηση δημόσιου κλειδιού Συμφωνία κλειδιού βασισμένη σε μη συμμετρικές τεχνικές Κρυφός διαμοιρασμός (secret sharing) Συνδιάσκεψη κλειδιών Ανάλυση Πρωτοκόλλων Εγκαθίδρυσης Κλειδιού

4 4 Στόχος Τα πρωτόκολλα Εγκαθίδρυσης Κλειδιού και συναφείς κρυπτογραφικές τεχνικές παρέχουν διαμοιραζόμενα μυστικά μεταξύ δύο ή περισσότερων μελών τυπικά για διαδοχική χρήση τους ως συμμετρικά κλειδιά για μία ποικιλία κρυπτογραφικών σκοπών (κρυπτογράφηση, πιστοποίηση μηνύματος, πιστοποίηση ταυτότητας). Εστιάζουν στην εγκαθίδρυση κλειδιού μεταξύ δύο ατόμων, με τη βοήθεια ενός έμπιστου τρίτου μέλους σε ορισμένες περιπτώσεις.

5 5 Ορολογία Εγκαθίδρυση κλειδιού (key establishment) : διαδικασία ή πρωτόκολλο μέσω του οποίου ένα διαμοιραζόμενο μυστικό διατίθεται σε δύο ή περισσότερα μέλη για διαδοχική κρυπτογραφική χρήση. Χωρίζεται σε διανομή κλειδιού και συμφωνία κλειδιού. Πρωτόκολλο διανομής κλειδιού : τεχνική εγκαθίδρυσης κλειδιού όπου ένα μέλος δημιουργεί ή εξασφαλίζει μία μυστική τιμή και τη μεταφέρει με ασφάλεια στους άλλους. Πρωτόκολλο Συμφωνίας κλειδιού : τεχνική εγκαθίδρυσης κλειδιού στην οποία ένα διαμοιραζόμενο μυστικό προέρχεται από δύο ή περισσότερα μέλη ως μία συνάρτηση πληροφορίας συμβαλλόμενη, ή συνδυαζόμενη με κάθε ένα από αυτά, έτσι ώστε κανένα μέλος να μη μπορεί να προκαθορίσει το αποτέλεσμα. Σχήματα Προ-διανομής κλειδιού : Πρωτόκολλα Εγκαθίδρυσης Κλειδιού μέσω των οποίων τα τελικώς εγκαθιδρυμένα κλειδιά είναι εντελώς καθορισμένα a priori από αρχικά κλειδιά. Σχήματα Δυναμικής Εγκαθίδρυσης κλειδιού : σχήματα μέσω των οποίων το κλειδί που έχει εγκαθιδρυθεί από ένα καθορισμένο ζευγάρι (ή ομάδα) χρηστών μεταβάλλεται σε διαδοχικές εκτελέσεις.

6 6 Πιστοποίηση κλειδιού : ιδιότητα μέσω της οποίας ένα μέλος βεβαιώνεται ότι κανένα άλλο μέλος εκτός από ένα εδικό αναγνωρισμένο δεύτερο μέλος δεν μπορεί να αποκτήσει πρόσβαση σε ένα ειδικό μυστικό κλειδί. Επιβεβαίωση κλειδιού : ιδιότητα μέσω της οποίας ένα μέλος βεβαιώνεται ότι ένα δεύτερο (πιθανώς μη αναγνωρισμένο) μέλος έχει στην κατοχή του ένα μυστικό κλειδί. Άμεση πιστοποίηση κλειδιού : ιδιότητα η οποία εξασφαλίζεται όταν και η (έμμεση) πιστοποίηση και η επιβεβαίωση κλειδιού ισχύουν. Πρωτόκολλο πιστοποίησης εγκαθίδρυσης κλειδιού : Πρωτόκολλο Εγκαθίδρυσης Κλειδιού που παρέχει πιστοποίηση κλειδιού. Ένα Πρωτόκολλο Εγκαθίδρυσης Κλειδιού ονομάζεται identity-based (βασισμένο σε ταυτότητα) αν πληροφορίες της ταυτότητας των εμπλεκόμενων μελών χρησιμοποιούνται για τον καθορισμό του δημόσιου κλειδιού. Ένα διμερές πρωτόκολλο εγκαθίδρυσης κλειδιού ονομάζεται message-independent (ανεξάρτητο μηνύματος) αν τα μηνύματα που στέλνονται από κάθε μέλος είναι ανεξάρτητα από χρονικά μεταβαλλόμενα δεδομένα (δυναμικά δεδομένα) τα οποία λαμβάνονται από άλλα μέλη. Ορολογία

7 7 Διανομή κλειδιού Φυσική διανομή  Το κλειδί μεταβιβάζεται μέσα από ένα ασφαλές φυσικό κανάλι (υπάρχει?) Με κρυπτογραφημένη επικοινωνία Με κρυπτογραφημένη επικοινωνία, μέσω ενός διαιτητή

8 8 Αρχές διανομής κλειδιού Σημείο-προς-σημείο παράδοση μέσω ενός αξιόπιστου καναλιού επικοινωνίας: οι χρήστες ανταλλάσσουν το κοινό τους κλειδί για επικοινωνία μεταξύ τους, με χρήση τεχνικών που εξασφαλίζουν ακεραιότητα δεδομένων. Χρησιμοποιείται σε κλειστά συστήματα με λίγους χρήστες ή σε περιπτώσεις όπου το κλειδί δεν αλλάζει συχνά. Κοινή πρόσβαση σε ένα έμπιστο, δημόσιο αρχείο: Το αρχείο αυτό περιέχει τα δημόσια κλειδιά για κάθε χρήστη του συστήματος. Απαιτείται όμως ασφαλές κανάλι για την πρόσβαση σε αυτό, έτσι ώστε να μην μπορούν να λάβουν χώρα ενεργές επιθέσεις. Ύπαρξη οn-line έμπιστου εξυπηρετητή: όποιος χρήστης χρειάζεται κλειδί, ζητάει εκείνη τη στιγμή από έναν on-line εξυπηρετητή. Μειονέκτημα είναι το ότι ο εξυπηρετητής αυτός μπορεί ταυτόχρονα να χρειαστεί να διανείμει πάρα πολλά κλειδιά σε μεγάλο αριθμό χρηστών.

9 9 Αρχές διανομής κλειδιού (II) Χρήση offline εξυπηρετητή και πιστοποιητικών (certificates): ο κάθε χρήστης επικοινωνεί με έναν έμπιστο off-line εξυπηρετητή (certification authority), ο οποίος «υπογράφει» ένα μπλοκ δεδομένων του χρήστη, το οποίο περιέχει τόσο το μήνυμα όσο και το δημόσιο κλειδί. Στα δεδομένα επίσης πρέπει να υπάρχει και ένα αναγνωριστικό της ταυτότητας του χρήστη. (παράγραφος 13.4.2 από «Handbook of Applied Cryptography») Χρήση συστημάτων που πιστοποιούν τη γνησιότητα δημοσίων παραμέτρων (π.χ. Identity-based συστήματα, όπου το δημόσιο κλειδί για τον κάθε χρήστη δεν προϋπάρχει αλλά κατασκευάζεται με βάση κάποια γνωστή πληροφορία που χαρακτηρίζει το χρήστη – παράγραφος 13.4.2 από «Handbook of Applied Cryptography»)

10 10 Είδη Επιβεβαιώσεων και χαρακτηριστικά πρωτοκόλλων Χαρακτηριστικά που διαφοροποιούν τις τεχνικές εγκαθίδρυσης κλειδιού: φύση της πιστοποίησης οποιοσδήποτε συνδυασμός των παρακάτω μπορεί να παρέχεται : πιστοποίηση ταυτότητας,πιστοποίηση κλειδιού, επαλήθευση κλειδιού. αμοιβαιότητα της πιστοποίησης : όταν παρέχεται πιστοποίηση ταυτότητας, πιστοποίηση κλειδιού και επαλήθευση κλειδιού να παρέχεται μονομερώς ή αμοιβαία. «φρεσκάδα» του κλειδιού : ένα κλειδί θεωρείται «φρέσκο» αν μπορεί να εγγυηθεί ότι είναι νέο σε αντίθεση με ένα πιθανό παλιό κλειδί το οποίο έχει ξαναχρησιμοποιηθεί σε ενέργειες εχθρικών ή μη εγκεκριμένων μελών. έλεγχος κλειδιού : σε μερικά πρωτόκολλα (διανομής κλειδιού) ένα μέλος επιλέγει μία τιμή κλειδιού. Σε άλλα πρωτόκολλα (συμφωνίας κλειδιού) το κλειδί παράγεται από μια συνδυασμένη πληροφορία και μπορεί να είναι επιθυμητό ότι κανένα μέλος να μην είναι ικανό να ελέγξει ή να προβλέψει την τιμή του κλειδιού.

11 11 Είδη Επιβεβαιώσεων και χαρακτηριστικά πρωτοκόλλων (συνέχεια) αποδοτικότητα. Περιλαμβάνει τα εξής : α) αριθμός των ανταλλαγών μηνύματος που απαιτείται μεταξύ των μελών. β) το εύρος ζώνης που απαιτείται από τα μηνύματα (bandwirth). γ) υπολογιστική πολυπλοκότητα για το κάθε μέλος (καθώς επηρεάζει το χρόνο εκτέλεσης). δ) πιθανότητα προ-επεξεργασίας για να μειωθεί η on-line υπολογιστική πολυπλοκότητα. απαιτήσεις τρίτου μέλους. Περιλαμβάνει τα εξής : α) απαίτηση για ένα on-line (πραγματικού χρόνου) ή off-line ή χωρίς τρίτο μέλος. β) βαθμός εμπιστοσύνης που απαιτείται από ένα τρίτο μέλος. τύπος του πιστοποιητικού που χρησιμοποιείται, αν υπάρχει. Γενικότερα κάποιος μπορεί να θεωρήσει ότι ο τρόπος με τον οποίο διαχωρίζονται τα αρχικά κλειδιά μπορεί να σχετίζεται με τις απαιτήσεις του τρίτου μέλους. μη αποκήρυξη (non-repudiation) : Ένα πρωτόκολλο μπορεί να παρέχει κάποιου είδους απόδειξης ότι το περιεχόμενο του κλειδιού έχει ανταλλαγεί.

12 12 Διαχείριση του κλειδιού Η ασφάλεια κάθε κρυπτογραφικού συστήματος εξαρτάται από την ασφαλή και αποδοτική διανομή και διαχείριση του κλειδιού  Συχνές αλλαγές (κάθε κλειδί να χαρακτηρίζεται ως νέο)  Χαμηλό overhead στο κανάλι (με δεδομένο ότι σε δίκτυο n κόμβων, απαιτούνται n(n-1)/2 κλειδιά, ένα για κάθε ζεύγος χρηστών) Κέντρα κατανομής κλειδιού (Key Distribution Centers - KDCs) και Κέντρα μετάφρασης κλειδιού (Key Translation Centers - KΤCs): παίζουν ρόλο «διαιτητή» στην ανταλλαγή κλειδιών μεταξύ των χρηστών (θα τα δούμε σε επόμενη ενότητα)

13 13 Αρχές διαχείρισης κλειδιού Για μείωση της πιθανότητας υποκλοπής  Χρήση διαφορετικών κλειδιών για διαφορετικούς σκοπούς  Γέννηση νέων κλειδιών με χρήση των παλιών, σε συνδυασμό με κάποια συνάρτηση κατακερματισμού Για μείωση της πιθανότητας να προσποιηθεί κάποιος ότι είναι κάποιος άλλος  Χρήση αμοιβαίας πιστοποίησης ταυτότητας όταν ανταλλάσσεται το κλειδί Για μείωση των συνεπειών σε βλάβη του υπολογιστή  Αποθήκευση κλειδιών στη μνήμη, π.χ. smart card, flash key, etc.  Hardware και όχι software προστασία Άλλες αρχές:  Συχνή αντικατάσταση κλειδιών

14 14 Διαχείριση κλειδιού – Πλεονεκτήματα Συστημάτων Δημοσίου Κλειδιού έναντι Συμμετρικού Για να στείλει κρυπτογραφημένα δεδομένα ένας χρήστης A στον B, χρειάζεται να ξέρει απλά το Δημόσιο Κλειδί του Β Δεν χρειάζεται On-line εξυπηρετητής Γίνονται αποδοτικά λειτουργίες όπως έλεγχος πιστοποίησης ταυτότητας και αυθεντικότητας δεδομένων.

15 15 Επιθέσεις στα Πρωτόκολλα Εγκαθίδρυσης Κλειδιού Τα επικοινωνούντα μέλη ή οντότητες στα πρωτόκολλα εγκαθίδρυσης κλειδιού επίσημα καλούνται αρχές (principals) και έχουν μοναδικά ονόματα. Επιπρόσθετα, υποθέτουμε την παρουσία ενός μη εγκεκριμένου τρίτου μέλους το οποίο αναφέρεται ανάλογα ως ανταγωνιστής (adversary), εισβολέας (intruder), αντίπαλος (opponent), εχθρός (enemy), επιτιθέμενος (attacker), λαθρακουστής (eavesdropper), πλαστοπρόσωπος (impersonator). Όταν εξετάζουμε την ασφάλεια ενός πρωτοκόλλου υποθέτουμε ότι ο μηχανισμός κρυπτογράφησης είναι ασφαλής. Υποθέτουμε ότι ο επιτιθέμενος δεν είναι ένας κρυπταναλυτής αλλά κάποιος που προσπαθεί να υπονομεύσει τους στόχους του πρωτοκόλλου νικώντας τον τρόπο με τον οποίο αυτοί οι μηχανισμοί συνδυάζονται.

16 16 Παθητική & ενεργητική επίθεση Μία παθητική επίθεση (passive attack) αναφέρεται σε έναν επιτιθέμενο ο οποίος καταγράφει τα δεδομένα και στη συνέχεια προσπαθεί να τα αναλύσει. Μία ενεργητική επίθεση (active attack) αναφέρεται σε έναν επιτιθέμενο ο οποίος τροποποιεί ή παρεμβάλει μηνύματα. Μοντελοποίηση της Επικοινωνίας σε μη ασφαλή δίκτυα Θεωρούμε ότι τα μηνύματα του πρωτοκόλλου μεταφέρονται σε ανασφαλή (ανοιχτά) δίκτυα. Ο επιτιθέμενος μπορεί να έχει πλήρη έλεγχο των δεδομένων στο δίκτυο με δυνατότητα να αλλάξει, διαγράψει, εισάγει, ανακατευθύνει, αναδιατάξει και να επαναχρησιμοποιήσει παλιά ή παρόντα μηνύματα και να παρεμβάλει νέα μηνύματα. Ο επιτιθέμενος μπορεί να συνδυάσει μη ύποπτα εγκεκριμένα μέλη ξεκινώντας νέες εκτελέσεις του πρωτοκόλλου.

17 17 Στρατηγικές επιτιθέμενων σε Πρωτόκολλα Εγκαθίδρυσης Κλειδιού 1. Συμπεραίνει ένα session key χρησιμοποιώντας πληροφορίες που αποκτά κρυφακούοντας. 2. Συμμετέχει κρυφά σε ένα πρωτόκολλο ξεκινώντας από ένα μέλος προς ένα άλλο επηρεάζοντάς τα. 3. Ξεκινά μία ή περισσότερες εκτελέσεις πρωτοκόλλων και συνδυάζει μηνύματα αυτών ώστε να μεταμφιεσθεί σε ένα άλλο μέλος ή να εκτελέσει μία από τις παραπάνω επιθέσεις. 4. Χωρίς να μπορεί να συμπεράνει το ίδιο το κλειδί εξαπατά ένα νόμιμο μέλος όσον αφορά την ταυτότητα ενός μέλους με το οποίο μοιράζεται το κλειδί.

18 18 Διαχωρισμός των επιτιθέμενων με βάση το είδος της πληροφορίας που αυτοί κατέχουν Εξωτερικός-Outsider (δεν έχει καμία ιδιαίτερη γνώση εκτός από τις γενικά διαθέσιμες μέσω λαθρακοής ή ανοικτού καναλιού. Εσωτερικός-Insider (έχει πρόσβαση σε επιπλέον πληροφορίες που αποκτήθηκαν με κάποια πρόσθετα μέσα, όπως ένα μυστικό κλειδί) One-time insider (αποκτά πληροφορία κάποια στιγμή για να την χρησιμοποιήσει κάποια επόμενη χρονική στιγμή) Permanent insider (έχει συνεχή πρόσβαση σε προνομιακή πληροφορία)

19 19 Διανομή κλειδιού βασισμένη σε συμμετρική κρυπτογράφηση Διανομή ενός συγκεκριμένου κλειδιού επιλεγμένου a priori από ένα μέλος χρησιμοποιώντας συμμετρική κρυπτογραφία. Χωρίζονται σε πρωτόκολλα με ή χωρίς τη χρήση έμπιστου – trusted server όπως φαίνεται στον πίνακα Ιδιότητες Πρωτόκολλο Server typeΧρήση timestamps Αριθμός μηνυμάτων point-to-point key update Όχι serverπροαιρετική1-3 Shamir’s no-key protocol Όχι serverόχι3 KerberosKDCναι4 Needham Schroeder shared key KDCόχι5 Otway-ReesKDCόχι4 Protocol 13.12KTCόχι3

20 20 Διανομή κλειδιού με χρήση αλγορίθμου Δημοσίου κλειδιού Αποστολέας A Παραλήπτης B 2. Κρυπτογράφηση Του κλειδιού με το Δημόσιο Κλειδί του B 4. Αποκρυπτογράφηση του συμμετρικού κλειδιού, με χρήση του κλειδιού του B 3. Αποστολή του συμμετρικού κλειδιού (κρυπτογραφημένου) 5. Χρήση του συμμετρικού κλειδιού για κρυπτογράφηση του μηνύματος 1.Δημιουργία συμμετρικού κλεδιού

21 21 Διανομή κλειδιού βασισμένη σε κρυπτογράφηση δημόσιου κλειδιού Εμπλέκει ένα μέλος το οποίο επιλέγει το συμμετρικό κλειδί και το μεταφέρει στο άλλο μέλος, το οποίο χρησιμοποιεί το δημόσιο κλειδί κρυπτογράφησης του πρώτου Εξασφαλίζει πιστοποίηση κλειδιού στον δημιουργό χωρίς να χρειάζεται ο ίδιος να διασφαλίσει πιστοποίηση ταυτότητας χρήστη ή επαλήθευση κλειδιού. Το δεύτερο μέλος δεν λαμβάνει πιστοποίηση πηγής.

22 22 Διανομή κλειδιού βασισμένη σε κρυπτογράφηση δημόσιου κλειδιού (Public Key, PK) Οι διασφαλίσεις πιστοποίησης μπορούν να χορηγηθούν με ή χωρίς τη χρήση ψηφιακών υπογραφών ως εξής : 1.Πιστοποίηση ταυτότητας χρήστη μέσω αποκωδικοποίησης δημόσιου κλειδιού Ο προτεινόμενος αποδέκτης πιστοποιείται επιστρέφοντας κάποια τιμή που μεταβάλλεται με το χρόνο που ο ίδιος μπορεί να παράγει ή να ανακτήσει. Αυτό μπορεί να επιστρέψει πιστοποίηση τόσο της ταυτότητας χρήστη όσο και του μεταφερόμενου κλειδιού. 2. Ακεραιότητα δεδομένων μέσω ψηφιακών υπογραφών Η κρυπτογράφηση του δημόσιου κλειδιού συνδυάζεται με μια ψηφιακή υπογραφή, εξασφαλίζοντας διανομή κλειδιού με διασφαλίσεις ταυτότητας πηγής (source identity )

23 23  Ιδιότητες ↓ Πρωτόκολλο Απαιτούνται υπογραφές πιστοποίηση ταυτότητας χρήστη Αριθμός μηνυμάτων Βασική PK κρυπτογράφηση(1-pass) Needham-Schroeder PK Όχι Αμοιβαία 1313 Κρυπτογράφηση υπογεγραμμένων κλειδιών Ξεχωριστή υπογραφή, κρυπτογράφηση Υπογραφή κρυπτογραφημένων κλειδιών X.509(2-pass) – timestamps X.509(3-pass) – random #’s Ναι μόνο η πηγή των data Αμοιβαία 1112311123 Beller-Yacobi (4-pass) Beller-Yacobi (2-pass) Ναι Αμοιβαία Μονομερής 4242 Πρωτόκολλα διανομής κλειδιού βασισμένα σε PK κρυπτογραφία